一种多缺口椭圆完美涡旋光束掩模板的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种多缺口椭圆完美涡旋光束掩模板的设计方法，包括以下步骤：步骤一、将两个椭圆坐标系下拓扑荷不同的整数阶的螺旋相位因子Ev1、Ev2相结合，得到Ev1+Ev2，对Ev1+Ev2求相位，得到angle(Ev1+Ev2)；步骤二、得到多缺口椭圆完美涡旋的螺旋相位因子Ev，Ev的表达式为：Ev＝exp[i·angle(Ev1+Ev2)]，其中，angle(.)表示对复数求相位的函数；将螺旋相位因子Ev与椭圆锥透镜复透过率函数ta相结合，得到光电场表达式taEv；步骤三、根据计算全息技术，使光电场表达式taEv与平面波Ep干涉后，求模取平方，得到干涉光强图，该干涉光强图即为多缺口椭圆完美涡旋光束掩模板掩模板t。使用本发明专利技术所设计的掩模板能够产生任意缺口的椭圆完美涡旋光束。

A design method of multi gap elliptical perfect vortex beam mask

The invention discloses a design method of a multi notched elliptical perfect vortex beam mask, including the following steps: Step 1, combining two elliptical coordinates with different integer order spiral phase factors Ev1 and Ev2 in the elliptical coordinate system, Ev1+Ev2 is obtained, angle (Ev1+Ev2) is obtained for the Ev1+Ev2 phase; step two, getting a lot of lack. The helical phase factor Ev of the perfect vortex of the ellipse is Ev, and the expression of Ev is: Ev = exp[i. Angle (Ev1+Ev2)], in which angle (.) represents the function of the phase of the complex number; the spiral phase factor Ev is combined with the complex transmittance function TA of the elliptical cone lens to obtain the expression taEv of the photoelectric field expression; step three, according to the CGH technology, the light is made. After the interference of the electric field expression taEv and the plane wave Ep, the interference light intensity map is obtained by obtaining the square of the mode, and the interference intensity map is the multi notched elliptical perfect vortex beam mask mask mask t. The mask designed by this invention can generate elliptical perfect vortex beams with any gaps.

【技术实现步骤摘要】
一种多缺口椭圆完美涡旋光束掩模板的设计方法
本专利技术涉及微粒光操纵和光学测试领域，具体的说是一种多缺口椭圆完美涡旋光束掩模板的设计方法。
技术介绍
涡旋光束在光学诱捕、操纵微小粒子等方面有着广泛的应用。成为近年来信息光学领域一个非常重要的研究热点。但是普通的涡旋光束中心暗斑的大小随着拓扑荷值的增加而增大。然而，在光学涡旋相关的俘获和操纵微粒的应用场合中，往往希望同时得到大的拓扑荷与较小的中心暗斑。为了解决这个问题，2013年，AndreyS.Ostrovsky等人提出了完美涡旋(完美涡旋)的概念，该涡旋光束亮环半径不依赖于拓扑荷值【Opt.Lett.38,5342013】。但该方法伴随完美涡旋光束均会产生额外的杂散光环。2015年，PravinVaity等通过对贝塞尔-高斯光束做傅里叶变换，从而获得无额外光环的整数阶完美涡旋【Opt.Lett.40,5972015】。另一方面，分数阶涡旋光束因其具有缺口，使得分数阶涡旋光束可携带更多信息量、且能提供更精细化的微粒操作，成为涡旋光学领域众多研究者竞相研究的热点课题。为了实现分数阶涡旋光束的生成，2017年，MichaelMazilu等基于螺旋相位图片的设计，提出了一种多缺口完美涡旋【Optica4,3302017】。然而，他们的技术手段使得他们所生成的多缺口完美涡旋每次换参数时都需要对涡旋项的相位图进行图片处理，而非公式化实现，因此难以实现工业上的广泛应用。此外，由于椭圆形的光束不在是圆对称的分布，使得文献【Optica4,3302017】所提供的方法无法生成多缺口光束。因此，由于技术所限，多缺口椭圆形完美涡旋仍未有人报道，使得一些特殊形貌粒子的精细操纵难以实现。综上所述，在涡旋光束研究领域中，尚缺少一种可用于微粒操纵多缺口椭圆完美涡旋光束掩模板设计，用以生成多缺口分数阶椭圆完美涡旋光束。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，为解决现有技术中存在的问题提供一种多缺口椭圆完美涡旋光束掩模板的设计方法，使用本专利技术所设计的掩模板能够产生任意缺口的椭圆完美涡旋光束。为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种多缺口椭圆完美涡旋光束掩模板的设计方法，包括以下步骤：步骤一、将两个椭圆坐标系下拓扑荷不同的整数阶的螺旋相位因子Ev1、Ev2相结合，得到Ev1+Ev2，对Ev1+Ev2求相位，得到angle(Ev1+Ev2)；步骤二、得到多缺口椭圆完美涡旋的螺旋相位因子Ev，Ev的表达式为：Ev＝exp[i·angle(Ev1+Ev2)]其中，angle(.)表示对复数求相位的函数；将螺旋相位因子Ev与椭圆锥透镜复透过率函数ta相结合，得到光电场表达式taEv；步骤三、根据计算全息技术，使光电场表达式taEv与平面波Ep干涉后，求模取平方，得到干涉光强图，该干涉光强图即为多缺口椭圆完美涡旋光束掩模板掩模板t。进一步地，掩模板t的复透过率函数表达式为：t＝circ(r)|taexp[i·angle(Ev1+Ev2)]+Ep|2其中，r为椭圆坐标系径向变量，其与笛卡尔坐标系(x,y)的变换关系为Mx＝rcos(θ)，My＝rsin(θ)，θ为椭圆坐标系的角向参数，M为一个常数；circ(r)描述了一个椭圆形光阑，其表达式为：用来作为限制该掩模板的边界条件。进一步地，螺旋相位因子Ev1和螺旋相位因子Ev2的表达式分别为：Ev1(θ)＝exp(ilθ)Ev2(θ)＝exp[i(l+m)θ]其中，l为螺旋相位因子Ev1的拓扑荷；l+m为螺旋相位因子Ev2的拓扑荷；上述参数l与m均取整数，i为虚数单位；Ev的拓扑荷数为(2l+m)/2，m为缺口数；椭圆锥透镜透过率函数ta表达式为：式中，a为椭圆锥透镜参数，R为椭圆形锥透镜光瞳半径，r为椭圆坐标系径向变量。进一步地，平面波因子电场Ep的表达式为：Ep＝E0exp(-ikz)其中i为虚数单位，k为波矢，z为传播距离。进一步地，螺旋相位因子Ev1拓扑荷参数选取l＝1，缺口数m依次以1为间隔从1取到5。进一步地，椭圆锥透镜参数a取12。与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：使用本专利技术所设计的掩模板能够产生任意缺口的椭圆完美涡旋光束。在微粒操纵领域具有非常重要的应用价值。本专利技术利用计算全息原理，通过光束复振幅计算模拟，在远场产生多缺口椭圆完美涡旋光束。该种多缺口椭圆完美涡旋光束可以使得椭圆形完美涡旋光环具有的任意缺口个数，因而在微粒操纵领域具有重要的应用价值。本专利技术所设计的掩模板可以实现在该掩模板的远场产生任意缺口椭圆完美涡旋。其缺口数量由参数m确定。控制多缺口椭圆完美涡旋的缺口即为控制多缺口椭圆完美涡旋光束轨道角动量密度的断点，因而在微粒操纵技术中具有非常重要的应用前景。附图说明图1是本专利技术产生多缺口椭圆完美涡旋光束掩模板。螺旋相位因子Ev1拓扑荷参数选取l＝1，缺口数m依次以1为间隔从1取到5。图2是图1中所展示的掩模板模拟生成的多缺口椭圆完美涡旋光束。具体实施方式图1是本专利技术产生的多缺口椭圆完美涡旋光束实施例的掩模板，其透过率函数具体表达式为：t＝circ(r)|taexp[i·angle(Ev1+Ev2)]+Ep|2其中，r为椭圆坐标系径向变量，其与笛卡尔坐标系(x,y)的变换关系为Mx＝rcos(θ)，y＝rsin(θ)，θ为椭圆坐标系的角向参数，M为一个常数，在本专利具体实施方式中的取值为2；ta为椭圆锥透镜透过率函数；Ev1、Ev2为椭圆坐标系中拓扑荷不同的整数阶螺旋相位因子；Ep为平面波因子电场表达式；angle(.)表示对复数求相位的函数；circ(r)描述了一个椭圆形光阑，其表达式为：用来作为限制所提出的多缺口椭圆完美涡旋光束掩模板的边界条件。所述的椭圆锥透镜透过率函数(ta)表达式为：式中，a为椭圆锥透镜参数，在本专利具体实施方式中的取值为12；R为椭圆形锥透镜光瞳半径。所述的螺旋相位因子(Ev1、Ev2)表达式分别为：Ev1(θ)＝exp(ilθ)Ev2(θ)＝exp[i(l+m)θ]其中，l为螺旋相位因子Ev1的拓扑荷；l+m为螺旋相位因子Ev2的拓扑荷。上述参数l与m均取整数。则Ev＝exp[i·angle(Ev1+Ev2)]构成了所述的多缺口椭圆完美涡旋的螺旋相位因子。(2l+m)/2即为所述的多缺口的分数阶螺旋相位因子的拓扑荷数；m即为缺口数。所述的平面波的电场表示为：Ep＝E0exp(-ikz)其中z为传播距离。根据计算全息技术，电场表达式taEv与平面波Ep干涉，之后求模取平方得到干涉光强图实现了全息原理的干涉记录过程。该干涉光强图即为本专利技术所设计的掩模板t。实验中先固定Ev1拓扑荷参数l的取值，之后在选取不同参数m，即可得到缺口数为m的多缺口椭圆完美涡旋光束掩模板。图1为螺旋相位因子Ev1拓扑荷参数选取l＝1，缺口数m依次以1为间隔从1取到5时所得到的多缺口椭圆完美涡旋光束掩模板。实施例：以下以512×512大小的掩模板为例，针对工作波长为532nm的激光给出了缺口数目可控的多缺口椭圆完美涡旋光束掩模板。该掩模板椭圆锥透镜参数取12，相位因子Ev1拓扑荷参数选取l＝1，缺口数m依次以1为间隔从1取到5，根据具体实施方式中的掩模板透过率函数最终得到多缺口椭圆完美涡旋光束掩模板。图1给出了所述的1～5个缺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多缺口椭圆完美涡旋光束掩模板的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将两个椭圆坐标系下拓扑荷不同的整数阶的螺旋相位因子Ev1、Ev2相结合，得到Ev1+Ev2，对Ev1+Ev2求相位，得到angle(Ev1+Ev2)；步骤二、得到多缺口椭圆完美涡旋的螺旋相位因子Ev，Ev的表达式为：Ev＝exp[i·angle(Ev1+Ev2)]其中，angle(.)表示对复数求相位的函数；将螺旋相位因子Ev与椭圆锥透镜复透过率函数ta相结合，得到光电场表达式taEv；步骤三、根据计算全息技术，使光电场表达式taEv与平面波Ep干涉后，求模取平方，得到干涉光强图，该干涉光强图即为多缺口椭圆完美涡旋光束掩模板掩模板t。

【技术特征摘要】
1.一种多缺口椭圆完美涡旋光束掩模板的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、将两个椭圆坐标系下拓扑荷不同的整数阶的螺旋相位因子Ev1、Ev2相结合，得到Ev1+Ev2，对Ev1+Ev2求相位，得到angle(Ev1+Ev2)；步骤二、得到多缺口椭圆完美涡旋的螺旋相位因子Ev，Ev的表达式为：Ev＝exp[i·angle(Ev1+Ev2)]其中，angle(.)表示对复数求相位的函数；将螺旋相位因子Ev与椭圆锥透镜复透过率函数ta相结合，得到光电场表达式taEv；步骤三、根据计算全息技术，使光电场表达式taEv与平面波Ep干涉后，求模取平方，得到干涉光强图，该干涉光强图即为多缺口椭圆完美涡旋光束掩模板掩模板t。2.根据权利要求1所述的一种多缺口椭圆完美涡旋光束掩模板的设计方法，其特征在于：掩模板t的复透过率函数表达式：t＝circ(r)|taexp[i·angle(Ev1+Ev2)]+Ep|2其中，r为椭圆坐标系径向变量，其与笛卡尔坐标系(x,y)的变换关系为Mx＝rcos(θ)，My＝rsin(θ)，θ为椭圆坐标系的角向参数，M为一个常数；circ(r)描述了一个椭圆形光阑，其表达式为：用来作为限制该掩模板的边界条件。3...

【专利技术属性】
技术研发人员：台玉萍，马海祥，李新忠，李贺贺，唐苗苗，王静鸽，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：河南,41